“十四五”及以后的相当长时期, 中国油气勘探将以深层、前陆冲断带和非常规等领域为重点, 高成本成为制约油气勘探开发的瓶颈^[1-2]。随着钻探成本和勘探风险不断增加, 对盆地规模、沉积体系规模和储层砂体规模的储集特征等的预测提出了更高的要求, 但现有的储层沉积模式一般以冲积扇、辫状河、曲流河和三角洲等单个沉积单元为主体, 较少关注各单元之间的相互联系, 在表征盆地范围内沉积体系的展布规律等方面存在明显的不足, 亟需创新发展。分支河流体系(distributive fluvial system, 以下简称DFS) 是从一顶点呈放射状展布的河流沉积^[3-4], 该概念以联系的、系统的思维重新审视陆相盆地沉积体系格局, 建立新的沉积模式, 为预测储层沉积体系展布和非均质性提供了新思路。应用DFS的理念可以将分布在盆地边缘、盆地中部及中心等不同部位的砾岩、砂岩和泥页岩储层联系成一个有机整体, 建立储层预测模型, 为阐明各类储层之间的联系和定量预测各类储层的分布提供理论依据, 为储层沉积学创新发展提供新理念。当前, 油气勘探开发技术正走向与大数据和人工智能相结合的发展道路^[5-6], DFS研究着眼于盆地范围沉积体系的展布规律和定量预测, 符合油气勘探开发向大数据和智能化发展的新趋势, 并有可能将储层建模技术从油气田开发阶段推广应用于油气勘探阶段, 提高储层预测的精度, 促进降本增效, 解决制约油气勘探开发的“卡脖子”难题。

由于DFS潜在的沉积学和油气勘探意义, 这一概念自提出以来就受到国内学术界的广泛关注^[7-8]。张昌民等^[9-10]介绍了DFS基本概念及其对油气勘探开发的意义; 张元福等^[11]对国际上关于河流扇的最新进展和争议进行了综述, 将DFS作为河流扇的同义词, 认为河流扇的研究将丰富传统的沉积学认知, 对现代河流扇体系的研究将在水利建设、环境评估、地质灾害预防等方面具有一定意义, 而对古代河流扇沉积的研究将为油气储集层研究提供新的思路; 石雨昕等^[12]研究了新疆博斯腾湖北缘现代冲积扇与扇三角洲平原分支河流体系; 张祥辉等^[13-14]和黄若金等^[15]对河西走廊盆地、苏干湖盆地、塔里木盆地柯坪地区发育的现代DFS进行了测量; 何苗等^[16]研究了东海盆地花港组的分支河流体系; 李相博等^[17]用河流扇的观点解释了鄂尔多斯盆地延长组“满盆砂”的成因; 张金亮^[18]认为鄂尔多斯盆地发育大型河流扇(DFS) 沉积, 并提出了新的沉积模式。然而, 由于DFS与已有的河流沉积学概念和研究方法存在一定的交叉, 这一概念也受到一些质疑。同时, DFS研究还处于初期阶段, 目前还没有建立系统的沉积模式, 缺乏典型的DFS研究范例和建模方法。因此, 有必要对其概念的内涵及其在沉积学理论发展和油气勘探开发应用方面的潜力做进一步分析, 推动这一研究领域的发展。

在大量文献调研的基础上, 从理论和应用的角度对一些DFS概念相关问题进行探讨, 分析DFS对陆相盆地储层沉积学发展的理论意义及其在陆相盆地资源挖潜中的应用前景, 以期消除该方面研究中的疑虑和争论, 为油气勘探开发提供新的理论支持。

Weissmann等^[3]首次提出DFS是河流从某一顶点开始进人盆地并呈放射状展布的沉积体系, 通常也被称为冲积扇、洪积扇和巨型扇, 并指出盆地内大多数河道都分布在DFS上。同年, Hartley等^[4]公布了对全球724个沉积盆地DFS的测量结果, 并对其中415个大型DFS进行了统计, 指出沉积盆地中发育的DFS的规模、数量、表面坡度和水系形态等受盆地构造、气候以及流域大小、源区母岩性质等盆地外部和内部因素共同控制, DFS是指呈放射状分布的分支河道模式, 但这些分支河道并不都有流水活动, 也并非所有的DFS都呈扇形。Hartley等^[4]还提出了识别现代DFS的6项特征和判别DFS终端的4个标准。6项特征: ①有一个明显的顶点, 从此开始河道体系(包括活动的和废弃的)向下游分汊; ②以顶点为中心发育斜坡, 斜坡向侧向和下游倾斜; ③ DFS相关的河流一般呈现分流特征, 常常分汉形成更小的河道; ④没有其他支流水系连接到顶点之下的DFS中; ⑤远离顶点发育分汉或弧形废弃河道; ⑥径向长度大于$30 \mathrm{~km}$。判别DFS终端的4个标准: ①DFS河道与其他支流河道交汇, 即进人其他支流水系; ②DFS末端汇合形成一条主河道或DFS的主河道演变为轴向体系, 水流转为垂直于DFS上水流方向流动; ③末端与盆地轴向的河流体系汇合; ④DFS的主河道与海岸线或沙漠边缘相交, 在盆地的海岸、湖泊、干盐湖或沙漠边缘终止。Weissmann等^[19]在后续的研究中对这些特征进行了总结, 提出了进积型DFS沉积模式(图 1)。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 DFS的沉积环境平面分布模式(a)及进积序列的横剖面预测(b) (据文献修改) Fig. 1 Ideal model of planimetric depositional environmental distribution of DFS (a) and ideal vertical succession of progradational DFS sequence (b)

DFS概念提出后受到一些质疑^[20-21], 最具代表性的是Fielding等^[21]对DFS相关概念提出了批判性的评论, 其主要观点概括如下: ①“分支”这个术语将不同时间形成的向下游呈放射状分布的河道体系及其物理过程和沉积记录整合到一起, 没有分类学意义; ②因为已经存在“分流(distributary)”一词, 并定义为“一条河流从主干流出而且不再返回主干河道”, 再使用“分支(distributive)”一词是多余的, 况且这一术语并没有出现在任何字典或地质术语表中; ③一个新术语应该是对一种新现象的描述并有具体的科学意义, 但学者们已经提出了“分流体系(distributary river system)”的概念，“分支河流体系(distributive fluvial system)”这个术语既不新也不是范式; ④ DFS的放射状水道与决口水道和非DFS河道难以区分; ⑤目前还没有可供野外露头描述中识别古代DFS的确定性地质标准, 而且在文献中很少有公开的古代DFS描述; ⑥ 扇上水道往往不是分支河道形态或放射状, 有可能平行分布, 通常是一条或几条大河主导扇体沉积作用; ⑦一些沉积体系是在不同的地貌环境下发育形成的扇状形态, 其形成过程和沉积特征不具有统一性; ⑧卫星图像关于分支河道的影像存在假象, 雨季和旱季的沉积体系差异很大; ⑨使用谷歌地球图像来识别河流样式只是时间上的快照, 难以区分地貌单元之间的时间联系, 而且仅捕捉了现代河流的二维形态, 只反映了第四纪沉积物的表层现象, 难以提供沉积体的规模、地层和内部建筑结构等信息; ⑩Weissmann等^[3]提出“DFS是所有陆相沉积盆地中主导的沉积模式”这一结论未经证实, 存在统计错误。这10项批评在河流沉积学界引起了重要的反响, 在一定程度上抑制了DFS概念的传播。然而, 认真分析发现第1条所否定的恰恰是DFS概念的优点, DFS概念用连续的而不是断续的, 联系的而不是孤立的观点来看待不同河道体系及其物理过程和沉积记录; 第2条和第3条实际上混淆了分流河道和分支河道的差异; 第4条和第5条是DFS研究需要开展的内容, 不能将目前还没有成熟的沉积模式作为概念本身的缺陷, 任何沉积模式都是经过长期研究不断完善的; 第6条关于河道形态和分布样式的批评不影响对DFS放射状分支河道的论述, 任何DFS上都不可能发育标准的放射状水系, 就像任何扇状体系不可能是标准的扇形一样; 第8和第9条其实是对将今论古基本原理的否定; 第10条否定了“DFS是所有陆相沉积盆地中主导的沉积模式”这一论断, 但即使DFS不能成为所有盆地中主导的沉积体系, 也并不影响DFS体系本身的存在。

Hartley等^[22]和Weissmann等^[23]对学术界提出的质疑进行了回复, 并持续开展DFS现代和古代沉积研究^[24-25], 推动了DFS研究的发展。近十年来, DFS研究在现代沉积^[12-15]、露头解剖^[26-27]、地下地质分析^[16-18]甚至行星沉积学^[28-29]等领域全面展开, 研究方法和理论成果日趋系统化, 逐渐显露出这一概念的科学特质和应用价值^[30]。目前最重要的不应是持续争论如何命名, 而应积极挖掘DFS的科学内涵, 开展现代和古代DFS实例分析, 完善DFS的识别标志, 形成研究工作流程, 探讨其应用价值。

质疑分支河流体系的理由之一是认为该术语与已有的冲积扇和河流扇产生了重复, 然而这是对DFS的误解。Weissmann等^[3]和Hartley等^[4]明确提出DFS包括冲积扇、河流扇和巨型扇, DFS不排斥已有的沉积相概念, 而是对相似沉积相和沉积体系的概括。回顾河流沉积学的历史, 有关河流、冲积扇、河流扇、巨型扇和DFS的概念都是随着学科的发展不断积累完善的, 从河型分类到曲流河、辫状河和网状河等沉积模式的建立, 正是一个个新概念的出现才促进了河流沉积学的发展。以冲积扇沉积学为例, 自Drew^[31]研究冲积扇沉积以来, 一般认为冲积扇上主要发育泥石流沉积、辨状河道沉积、笁积物和片流沉积等4种沉积物, 扇体规模(半径) 小于10 km^[32-33]。20世纪80年代, Galloway等^[34]将冲积扇划分为干扇和湿扇, 后来又根据水动力条件划分出泥石流扇、河流扇和片流扇^[35], Stanistreet等^[36]提出了泥石流扇、辫状河扇(低弯度河流扇)和曲流河扇, 但仍然使用冲积扇的概念。当研究发现经典的沉积模式已经难以解释大型扇状体系的沉积过程和沉积特征时, Blair等^[33]提出冲积扇半径一般小于$10 \mathrm{~km}$, 半径大于$10 \mathrm{~km}$的扇状体系应该称为河流或者河流扇(rivers or river called fans), 之后河流扇、巨型扇（megafan）^[37-39]、大型河流扇(large fluvial fan) ^[40]、大型洪积扇(alluvial megafan) ^[41]等概念不断涌现。20世纪70年代还出现了末端扇^[22-44]。由于大量的研究积累, 冲积扇沉积学和河流沉积学不断发展新的研究领域, 并从相互独立的分支逐渐走向融合。

Hartley等^[4]吸收了以往学者们对扇状体系类型的认识, 提出分支河流体系包括最大规模的巨型扇(半径大于$100 \mathrm{~km}$), 较大规模的河流扇(半径为$30 \sim 100 \mathrm{~km}$) 以及小规模的冲积扇(半径小于$30 \mathrm{~km}$)。这一观点不仅指出了巨型扇、河流扇和冲积扇之间的差异, 更重要的是发现了这些沉积体系之间的共同特征。DFS这一术语强调放射状河道体系的共同特征, 在此基础上讨论DFS上河道类型的演变, 探讨不同沉积体系和沉积相的成因及其展布规律, 促进了河流沉积学和冲积扇沉积学的融合和创新。DFS与曲流河、辫状河等术语非同一内涵层次的词, 不能把DFS理解为一种新的河道类型。大型DFS表面一般发育多河型的河道, 从上游往下游发生有规律的河型演变, 形成独特的DFS河道网络, 构成了DFS沉积体系格架。以喜马拉雅山南坡上发育的DFS为例, 发育曲流河、辫状河以及河道间泛滥平原湿地和湖泊, 众多活动的和不活动的河道构成了DFS的河道网络(图 2)。要研究DFS的沉积相分布和砂体结构, 必须首先分析单个河道的沉积特征及其发育的砂体特征。因此, 研究DFS不是放弃对曲流河、辫状河等各种河道的探索, 而是要更加深人探讨不同沉积相类型和不同类型河道沉积砂体之间的联系, 探索由DFS顶点到末端河流砂体及其内部结构演化规律, 为预测有利储层和储层非均质性提供理论依据。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 喜马拉雅山南坡上发育的DFS卫星图 注：图（b）—（e）分别为（a）中对应观测点的卫星放大图。 Fig. 2 DFS developed on the southern slope of Himalayas

砂体分布是油气勘探关注的重要问题。当探井钻遇有利的河道砂体之后, 勘探评价需要进一步预测是否存在新的砂体以及各砂体的展布方向、延伸长度、形态、规模和内部结构的变化趋势等, 为后续勘探和开发奠定地质基础。按照传统的沉积相分析方法, 只能对所钻遇的砂体类型和规模进行一定预测, 难以预测在横向上和纵向上是否发育其他砂体, 也难以预测砂体形态和结构的远距离变化。DFS理论的优点在于强调辫状河、曲流河、三角洲等沉积单元在平面上的相互联系和相互转换, 建立沉积体系各单元间的定量关系。

预测新砂体及其分布涉及河流沉积学的2个主要问题, 一是建立DFS河网模型, 二是建立河床(道)演变的定量模型。Hartley等^[4]将DFS的河道体系归纳为6种模式, 并认为随着向DFS下游河流流量变小、河床运输能力减弱, 河道总体上具有宽度和深度均变小的趋势。Weissmann等^[19]指出DFS近端主要发育低弯度辫状河道, DFS中部河道分汉加强, DFS远端河道持续分汉并发育大面积废弃河道。还有大量研究关注河道沿流程的变化^[45-46], 但关于古代沉积记录中河道网络和河型演变的研究目前还很缺乏, 理论和方法还不成熟。

建立DFS的河网模型可以借鉴河流地貌学中关于流域河网建模的理论和技术。河网形态学用Horton定律分析流域的河道分布规律^[47] (图 3), 认为不同级别的河道及下一级别河道的数量之间符合一定的比值, 这一定律可以拓展应用于建立不同级别河道长度和面积模型。Horton定律产生于对汇流体系的描述, 也被尝试应用于建立DFS的河网模型^[48]。在DFS现代沉积研究中, 可以借鉴Horton定律, 运用GIS建立基于河网空间形态结构特征的河网空间数据模型^[49], 基于数字高程模型和利用ArcGIS软件平台构建流域等方法提取河网模型^[50]。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 美国加州马林县河网分布(a) 与田纳西州Daddy河支流数目、长度及灌溉面积与河流级别的关系(b) (据文献修改) Fig. 3 Channel-network in Marin County, California, USA (a) and the relationship between the number, length and irrigation area of the tributaries of the Daddy River in State of Tennessee and the tributary grade (b)

尽管河型的多样性和相互转化是普遍现象^[1-52], 但在沉积相分析中学者们还是习惯用单一河型来分析研究对象, 对河型的沿程变化关注不够。近年来有学者关注河型转换的沉积学问题^[3-54], 但目前表征地质记录中河型演变的理论依据和定量技术还不够成熟。要建立可用于古代沉积物的河型转换模型, 需要借鉴水利学和河流地貌学领域河床演变的理论成果, 还需要开展大量现代沉积和露头调查, 建立DFS形态规模、河网结构、河型演变、相带转换、沉积结构和砂体形态等沉积特征参数的定量关系模型, 并注重用联系的、定量的观点分析各沉积单元之间的关系, 建立新的陆相盆地沉积模式。

沉积相模式是沉积环境的概括。建立沉积相模式是对古代和现代沉积环境的特征、规模、非均质状况及其控制因素的综合化, 目的是通过收集不同沉积环境的现代沉积和岩石特征, 将这些特征进行综合形成模式并用来判别沉积环境。曲流河侧向加积模式、辫状河的垂向层序模式、网状河的江心洲模式以及众多的冲积扇、三角洲沉积等陆相和海相沉积模式已经成熟并广为应用, 但DFS沉积模式还在探索之中。

Weissmann等^[3]提出的分流和汇流盆地河道分布样式可以作为最早的DFS沉积模式, 但该模式仅表达了DFS河道的分汉和汇合样式, 缺乏沉积特征和其他沉积环境信息, 尚不具备沉积学指导意义。Weissmann等^[23]认为DFS远端通常由湿地和洪泛平原沉积包围的孤立河道组成; 中段河道规模较大、土壤排水相对良好; 近端显示了大规模叠置河道带与少量土壤沉积。随着沉积盆地的气候、湿地和季节性湿润程度变化, DFS不断进积, 远端沉积物可能被排水良好的中段沉积物覆盖, 后者又被叠置河道带沉积物覆盖, 由此形成向上粒度变大的沉积演化序列。这一模式从轮廓上看与经典的冲积扇模式非常相似, 但不再强调泥石流、篎积物和大面积的片流沉积, 而河流沉积成为这一模式的主体。Hartley等^[55]进一步细化了DFS沉积模式, 更详细地刻画了DFS河道形态和垂向砂体结构特征(图 4), 并将DFS沉积模式用于储层非均质性解释, 指出了DFS上储层砂体结构、砂地比、砂体宽深比的变化规律。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 DFS河道分布、沉积环境特征(a)及其进积形成的地层层序和砂体结构模式(b) (据文献修改) Fig. 4 DFS channel distribution, sedimentary environment characteristics (a) and its progradational stratigraphic model with sand body architectural characteristics (b)

一些新的DFS沉积模式认识正在形成。Davidson等^[56]提出了3种地貌单元模式: ①以阿富汗Harut河、阿拉斯加Canning河、玻利维亚Parapeti河和我国黑河为代表的辫状分汉型DFS体系, 河道坡降较大, 主干辫状河道向下游分汉形成曲流河道, 从顶端至末端, 河道弯曲度增加幅度最大。② 以澳大利亚Gregory河、俄罗斯Kur河、纳米比亚Zambezi河和我国叶尔㒸河为代表的多分支网状DFS体系(multi-thread anabranching DFS), 以多条线状河道为特征向下游方向逐渐发生分汊, 河道弯曲度向下游增大。③以伊拉克Euphrates河、巴西Paraguay河和阿富汗Helmand河为代表的高弯单河道分支DFS体系, 以单个线状河道为主的曲流河向下游方向分汉形成不同弯曲度的小型河道。这3种DFS体系均发育不同数目的分支河道、泛滥平原、沼泽湿地、暂时性湖泊、废弃河道、废弃沙坝和风成沙丘等沉积微相, 各微相发育的位置也存在差异。在古代DFS研究方面, 美国西南部上侏罗统莫里森组盐洗段(Salt Wash) 是目前研究最为深人的DFS沉积体系, 长度超过$500 \mathrm{~km}$, 面积达$8 \times 10^{4} \mathrm{~km}^{2}$, 是目前发现的规模最大的DFS体系。Owen等^[57]结合露头和地下地质信息对其岩石特征、微相类型、沉积层序、砂体结构等进行了系统地分析, 从砂岩的含量、叠置河道砂体所占的比例、泛滥平原所占的比例以及砂体的叠置方式等方面对DFS近端、中部和远端的沉积特征进行了总结, 建立的盐洗段DFS沉积模式(图 5)显示, DFS砂岩的厚度和河道砂体叠置程度均向下游减小, 而泛滥平原沉积厚度向下游增大。现代和古代DFS沉积研究都显示, 近端是粗粒沉积物堆积的主要场所, 主要发育低弯辫状河道, 沉积物主要由复合河道沉积和少量漫滩细粒沉积组成, 河道砂体连通性好; 中段是砂质沉积的主要场所, 可容空间与沉积物供给的比值$(A / S)$变大, 河道分汉加强, 弯曲度增大, 发生过较大规模的决口, 沉积物从以砾岩为主向砂砾岩互层、砂岩以及砂泥岩互层转变; 远端以细粒沉积为主, 发育大面积废弃河道、牛轭湖、泛滥平原岸后湖泊和沼泽, 发育河湖交互体系。此外, 张元福等^[11]从河流扇成因及形态出发, 考虑扇体内部的河道形态和扇体外部的宏观形态, 将河流扇内部的河道形态划分为顺直型、弯曲型、分汉型和游荡型, 再根据演化形态, 将扇体分为迭进型、摆动型和次生型。李相博等^[17]用干旱环境河流扇模式解释了鄂尔多斯盆地延长组“满盆砂”的成因。

沉积模式具有4个方面的功能, 即一般意义上的比较功能、作为进一步研究的指导功能、对沉积展布的预测功能以及对沉积现象的解释功能^[58]。近十年来, DFS沉积模式研究取得了重要的进展, 但针对不同构造背景和气候条件下所形成的各种DFS沉积特征的差异, 还需要在大量现代沉积调查基础上开展DFS分类, 建立不同类型的DFS沉积识别标志, 总结其沉积模式, 同时要注重沉积模式的定量化和模型化, 提高沉积模式的预测功能。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 美国西南部上侏罗统莫里森组盐洗段(Salt Wash)DFS沉积模式(据文献修改) Fig. 5 Sedimentary model of Salt Wash DFS of Upper Jurassic Morrison Formation in southwestern United States

沉积学源-汇体系研究致力于建立从物源区到沉积盆地内各种沉积动力过程和沉积体系的有机联系^[59-60], 其研究目的和重点是预测盆地内沉积体系的分布, 但目前主要依靠地震资料和地层对比建立源-汇关系模型, 对盆地内沉积体系的定量预测技术尚不成熟。DFS研究与源-汇体系分析具有异曲同工、相辅相成的作用, 研究DFS需要分析物源区流域面积、地形地貌、气候和母岩性质等背景条件, 着重强调河流从汇水流域转向分流体系后河道及其相关体系在盆地中的分布规律。目前在利用遥感技术建立流域盆地DFS几何形态的定量关系^[61] (图 6)、定量确定DFS顶点、建立河道网络结构、预测河道分汉节点等方面做了一些尝试, 但尚未见定量的DFS三维储层预测模型。

快速发展的储层地质建模技术有可能提供新的DFS研究方法^[22-63], 但当前储层建模主要应用于油藏开发阶段, 针对的是油藏规模沉积砂体, 目的是预测砂体内部建筑结构和储层非均质性。在油气勘探阶段, 如何应用有限的钻井资料对全盆地范围的沉积体系展布做出可靠的预测, 从而明确有利储层区带分布一直是沉积学研究的难题。目前的储层建模方法只能从概念上表述沉积体系的特征^[64-65], 难以对沉积体系条件化, 做不到对沉积体系的展布进行准确预测。沉积数值模拟技术能够重现沉积过程和物质分布, 但主要用于揭示沉积机理、建立沉积模式^[66]或作为训练图像, 服务于多点地质统计建模^[67], 而且由于沉积边界参数繁多、沉积过程复杂多变, 该技术还远不能满足精确预测的要求。室内水槽实验可以再现沉积机理, 但还不能按照比尺模型进行过程模拟。遥感图像分析、现代沉积和露头调查仍然是获取建模资料建立DFS模型的重要手段。

根据沉积体系的层次性和规模大小, 可以在分层次建立储层预测模型的基础上, 建立统一的、内部互为联系的DFS储层预测模型。这一模型包含反映源-汇关系的DFS沉积体系规模预测模型、反映DFS内部沉积动力演变的相带规模预测模型、反映局部沉积环境特征的砂体内部结构预测模型。不同规模的预测模型采用不同建模方法, 沉积模拟、大数据和人工智能技术为多种建模技术融合提供了新的手段, 而地质学家带着先进设备重返露头和现代沉积研究为建模提供了更齐全的资料库信息^[68], 大大提高了构建全盆地的DFS沉积储层智能预测模型的可行性。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 阿根廷加斯特雷盆地几何形态定量关系分析(据文献修改) Fig. 6 Control of drainage basins area, horizontal accommodation space and basin slope on DFSs geometry and scale in the Gastere Basin, Argentina

我国是以陆相油气为主的国家, 陆相盆地沉积与储集层理论是我国陆相油气地质理论体系的重要组成部分^[1]。自20世纪80年代以来, 陆相含油气盆地沉积与储集层理论得到了巨大的发展^[69-70], 在盆地构造-沉积响应、岩相古地理、陆相层序地层学、源-渠-汇沉积动力学、储层沉积学、地震沉积学、沉积物理模拟等领域都取得了丰富的研究成果, 建立了包括扇三角洲与粗粒沉积、细粒沉积、浅水三角洲、滩坝、深水重力流、混积体系等多种沉积体系的沉积模式。吴崇筠^[71]在冲积扇、辫状河、曲流河、三角洲平原和三角洲前缘等沉积模式的基础上, 将陆相盆地的河流-三角洲沉积体系归纳为近岸水下扇、靠山型扇三角洲、靠扇型扇三角洲、短河流三角洲和长河流三角洲等5种模式(图 7), 构建了断陷型湖泊深陷扩张期沉积模式、断陷型湖泊收缩期沉积模式、坳陷型湖泊深陷扩张期沉积模式、坳陷型湖泊收缩期沉积模式。这些模式一直在指导含油气盆地的沉积学研究, 推动陆相含油气盆地沉积储层理论和技术的不断进步, 为中国和世界范围的陆相沉积盆地分析提供了理论依据。经过30年的发展, 以DFS的视角再次审视这些经典的沉积模式, 可以发现至少在以下6个方面还需要继续发展: ①原有的5种模式难以概括陆相盆地的沉积体系特征, 需要增添新的内容; ②经典模式对与冲积扇相关的三角洲平原没有做严格的定义, 导致许多研究把冲积扇等同于扇三角洲平原; ③将冲积扇与其下游的河流体系划分为不同的段落, 忽略了各段落的内在联系; ④冲积扇一辫状河一曲流河的演变是一个常见现象, 但并不是所有沉积体系的固定特征, 有些沉积体系可能不存在冲积扇或者辫状河等沉积单元; ⑤难以完整表征沉积环境特征, 没有显示河道间沉积微相的存在; ⑥没有阐述从上游到下游各种沉积单元之间的联系, 对沉积体系的预测精度较低。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 中国陆相盆地河流-三角洲沉积的5种模式(据文献修改) 注: S. 物源区; L. 海(湖) 岸线; SF. 水下冲积扇; AF. 冲积扇; BR. 辫状河; MR. 曲流河; DP. (扇)三角洲平原; DF. (扇)三角洲前缘。 Fig. 7 Five fluvial-deltaic sedimentary models in Chinese nonmarine basins

国内学术界对DFS、河流扇和巨型扇的研究常习惯于依照经典模式开展陆相盆地沉积相分析, 而经典模式虽然更适于对局部的单个沉积类型的分析, 却难以建立全盆地范围内的沉积体系分布格局。多年以来虽然建立了大量的沉积体系模式, 但这些模式多针对冲积扇、辫状河、曲流河、扇三角洲、辫状河三角洲等单个沉积端元, 很少能够把冲积扇和不同的河流类型联系起来。即使有些模式显示了河流类型的沿程变化, 但缺乏确定河型分布范围的定量依据。根据现有沉积模式, 在资料较少的条件下, 难以预测沉积相分布。DFS将发育在盆地不同位置的沉积单元作为一个完整的沉积体系, 致力于定量表征在同一沉积体系框架下的沉积相转换, 从理论上弥补了传统沉积相分析方法的缺陷。这种联系的、系统化的、定量的方法不仅适用于河流沉积学, 也可以推广应用于对盆地范围沉积体系格局、单个沉积体系、沉积相内部构成等多个层次的沉积相分析和储层表征, 由此建立起层序地层学、源-汇体系动力学、沉积相分析与定量地质建模之间的桥梁, 推动陆相盆地沉积储层理论创新和技术进步。

理论研究和勘探实践均表明, 我国各含油气盆地仍然存在巨大的资源潜力, 但新发现的油气以深层、非常规、岩性和地层油气藏为主, 按照传统的沉积模式寻找大规模有利储集体十分困难, 需要借鉴DFS新理论重新刻画含油气盆地的沉积模式和沉积相分布, 重新把握盆地沉积体系格局, 定量描绘不同沉积体系的排列组合方式、预测地质历史时期沉积体系的展布范围, 寻找有利储层发育区。

DFS在我国含油气盆地广泛发育。渤海湾盆地黄华坳陷、冀中坳陷、下辽河断陷、东誉凹陷、南襄盆地和苏北盆地等沉积盆地的断陷期均发育冲积扇和扇三角洲等小型DFS^[72-73]; 断坳过渡期均沉积辫状河-三角洲、竬状河-曲流河-三角洲等大型DFS^[74]; 在㘬陷阶段则发育巨型DFS^[75-76]。在柴达木、江汉等盐湖盆地, 发育多种与岩盐和干旱气候相关的DFS^[77]。在松辽、鄂尔多斯、四川和准噶尔等大型、特大型复合盆地, DFS的规模随着盆地构造和气候演化变化巨大, 规模最大的DFS延伸长度超过400 km^[75]。对准噶尔盆地玛湖凹陷的研究显示, 二叠纪一三叠纪, 盆地由断陷向坳陷型盆地转变, DFS由小型的冲积扇和扇三角洲体系不断向河流扇、巨型扇及其形成的三角洲沉积体系演变, 沉积体系的规模逐渐增大, DFS半径由大于$10 \mathrm{~km}$增加到大于$100 \mathrm{~km}$ (图 8)。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系一三叠系地层剖面(a) 及DFS规模演变特征(b) 注：P1 j. 佳木河组；P1f. 风城组；P2x. 夏子街组；P2w. 下乌尔禾组；P3w. 上乌尔禾组；T1b. 百口泉组；T1k. 柯吐尔组；T2k. 克拉玛依组；T3b. 白碱滩组。 Fig. 8 Stratigraphic profile (a) and DFS evolution characteristics (b) of Permian-Triassic

经过多年的钻探和研究, 各沉积盆地均积累了大量的沉积相分析资料, 但对于分布在盆地不同区域的沉积相之间的联系尚不明确。以源-汇体系和DFS理论为指导, 建立从盆地边缘到盆地中心各沉积相带之间的成因联系, 结合已有的钻探成果, 预测新的有利储层发育区带是探索发现剩余油气资源的有效手段。然而，因为断陷盆地、坳陷盆地、前陆盆地、裂谷盆地、走滑盆地的沉积体系展布各不相同^[78], 各盆地内所发育的河流、湖泊、湿地和三角洲的形态、砂体类型、沉积物结构和构造特征也千差万别。此外, 干旱和湿润地区的河流沉积差异巨大, 热带、温带湖泊与寒区湖泊的沉积过程也都不一致。如何定量表征不同盆地类型, 同一盆地在不同发育阶段、不同气候背景下DFS沉积模式、相带分布、砂体类型、砂体建筑结构和砂体内部储层非均质性是老油区勘探开发^[79-81]中面临的重要理论和技术难题。因此, 实现针对不同盆地构造背景, 按照DFS类型分层次地建立砂体规模沉积模式和储层定量预测模型是一项长期而艰巨的任务。

已有的井网信息、动态数据和地质、地球物理资料为研究沉积相带之间的联系、开展区域储层预测奠定了大数据基础。新疆玛湖油田的勘探实践证明, 受沉积分布规律控制, 从盆地边缘向中心地区发育着不同的储集相带, 形成了不同类型的油气藏, 其中盆地边缘以砾岩油气藏为主, 中部以砂岩油气藏为主, 中心地区发育细粒非常规泥页岩油气藏^[82-83]。鄂尔多斯盆地北部边缘发育砾岩和砂砾岩为主的苏里格气田, 盆地腹部则以致密砂岩油气藏为主, 页岩油气主要发育在盆地南部沉降区, 根据邹才能等^[84]、付金华等^[85]的研究, 该区油藏的差异性分布与DFS末端三角洲和深水体系有关。这些现象都说明了不同类型的油气藏可能与DFS背景下沉积相带分布趋势有关, 也说明DFS沉积模式不仅建立了粗粒、细粒和常规碎屑沉积间的有机联系, 也架设了常规与非常规储层之间的桥梁。由于当前DFS沉积模式还不够完善, 对沉积体系和油气藏分布关系的认识还处于朦胧阶段, 利用盆地大数据, 建立油气储层和不同油气藏的区域联系, 有可能成为进一步挖掘盆地油气资源的潜力途径。

DFS研究是沉积学与地貌学、地理学、遥感技术、计算机网络技术和现代地球信息技术交叉融合产生的新领域。DFS地貌和现代沉积研究主要是依靠高分辨率卫星地图对沉积盆地地貌单元和沉积体系进行整体的、全面的、系统的观察和快速准确的测量, 使用卫星图像和无人机航空摄影研究河道决口、地貌分区, 重建第四纪以来的DFS变迁^[86-88]。DFS露头调查中较多使用无人飞行器(UAV) 和运动恢复结构(SFM) 摄影测量、地面激光扫描仪(TLS) 以及卫星影像云数据测量沉积建筑结构要素^[89-90], 重建沉积岩相古地理。DFS地下地质分析的案例还比较少, 重要原因可能是DFS是在全盆地展布的大型沉积体系, 对单个油藏或油田的研究难以表征其整体特征。沉积标志和沉积模式不成熟限制了DFS概念的推广应用, 未来的DFS研究应当以现代沉积调查为最主要手段, 结合沉积模拟实验、露头调查和地下地质研究建立DFS沉积储层数据库, 建立不同DFS的沉积模式和识别标志, 形成DFS河网体系和河型演变定量预测模型。

大数据和智能化正在成为油气勘探开发的新趋势, 而定量化是智能化的前提。20世纪90年代以来, 储层地质建模技术不断发展^[91-92], 从最初以变差函数为基础的克里金技术发展到依靠训练图像的多点地质统计学技术^[93], 促进了储层砂体构型描述的定量化, 为油田开发方案制定、剩余油挖潜提供了有力工具。然而, 目前储层地质建模技术仅应用在油气田开发阶段, 而勘探阶段缺乏成熟的表征地层结构和储层物性的建模技术, 使用较多的仍然是宏观的盆地模拟技术, 建模表征的对象主要是砂体内部、沉积相规模的沉积结构以及储层物性特征(图 9), 缺乏针对大型沉积体系规模的建模技术, 现有的建模软件通常只用于建立单一类型砂体的地质模型, 难以适应多种沉积相、多砂体类型的建模需要。要实现DFS全体系规模甚至全盆地规模建模的需要, 必须研究新的建模技术。当前地质工程一体化、勘探开发相融合的进程正在加快, 新的计算机技术迅速发展, 为建立盆地规模的储层预测模型提出了要求也提供了条件。在DFS沉积模式基础上, 将地质模型建模技术从油气田开发阶段前置应用到勘探阶段, 研究针对不同规模沉积体的储层预测模型, 实现不同建模方法的融合归一, 为勘探开发智能化提供新的技术, 是DFS研究的发展趋势和着陆点。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 DFS沉积模式分级模型(a) 和定量储层预测模型(b) Fig. 9 DFS hierarchical sedimentary deposition model (a) and quantitative reservoir prediction model (b)

（1）分支河流体系是河流从某一顶点开始进人盆地并呈放射状展布的沉积体系, 通常也被称为冲积扇、洪积扇和巨型扇; DFS与曲流河、辫状河等术语不是同一个内涵层次的专业词汇, 不能把DFS理解为一种新的河道类型; 研究DFS不是放弃对各种河道沉积特征和沉积模式的探索, 而是更加深人探讨不同沉积相类型和不同类型河道沉积砂体之间的联系, 探索DFS内部沉积结构演化规律; 当前应积极挖掘DFS的科学内涵, 探讨其应用价值, 开展现代和古代DFS实例分析, 完善DFS的识别标志和沉积模式, 形成研究工作流程。

(2) 建立DFS的河道网络模型和河床演变模型是进行沉积体系定量预测的关键, 可以借鉴河流地貌学中关于流域河网建模的理论方法, 利用Horton定律分析流域的河道分布规律, 开展现代沉积和露头调查, 研究建立DFS形态规模、河网结构、河型演变、沉积相带转换、储层砂体结构、砂体几何形态等沉积参数的定量关系模型, 结合源-汇体系理论和储层地质建模方法建立DFS储层预测模型。

（3）应用分支河流体系理论能够定量表征不同盆地类型、盆地发育不同阶段、不同气候背景下DFS沉积模式、相带分布、砂体类型、砂体建筑结构和砂体内部储层非均质性, 能够推动陆相盆地沉积储层理论创新发展。我国陆相盆地广泛发育DFS沉积体系, 以DFS和源-汇体系理论为指导, 预测新的有利储层发育区带, 是探索发现剩余油气资源的有效手段, 而分层次建立沉积体系到砂体规模沉积模式和定量储层预测模型是一项长期而艰巨的任务。

(4) DFS研究是沉积学与地貌学、地理学、遥感技术、计算机网络技术和现代地球信息技术交叉融合产生的新领域。未来应当以现代沉积调查为主要手段, 结合沉积模拟实验、露头调查和地下地质研究建立DFS沉积储层数据库, 建立不同DFS的沉积模式和识别标志, 形成DFS河网体系和河型演变定量预测模型; 将地质模型建模技术从油气田开发阶段前置应用到勘探阶段, 实现不同建模方法的融合归一, 促进勘探开发智能发展, 是DFS研究未来的发展的趋势和着陆点。